§ 3. Вольт – амперная характеристика тиристора.

Эта характеристика представляет собой зависимость результирующего тока I от напряжения, приложенного между анодом и катодом

I = f(UA) (рис.5). На участке BC результирующий ток мал, т.к. коллекторный переход П2 находится под обратным напряжением и имеет большое сопротивление. ВАХ на участке BC практически отражает зависимость обратного тока коллекторного перехода П2 от обратного напряжения на этом переходе и напоминает ВАХ полупроводникового диода при обратном включении. В точке C происходит компенсация обратного напряжения на коллекторном переходе, и ток тиристора повышается.

Рис. 5. - ВАХ тиристора

После этого достаточно небольшого повышения прямого напряжения, и переход П2 откроется. В этом случае оба тиристора из активного режима перейдут в режим насыщения, при котором оба p – n – перехода открыты. В режиме насыщения ток резко повышается, а напряжение резко уменьшается. На участке СА тиристор обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением R = –∆UA/∆I, как и у туннельных диодовВ. точке А создается минимальное напряжение на тиристоре, т.к. все три p – n – перехода открыты и их сопротивление очень мало. Характеристика выше точки А напоминает ВАХ полупроводникового диода при прямом включении.

Таким образом, на участке подачи прямого напряжения UA имеются две точки перегиба. Первая точка – С. Напряжение в этой точке называется напряжением включения

– прямое напряжение, при котором происходит переключение тиристора. Вторая точка – А. Ток тиристора в этой точке называется током удержания – Iуд, это минимальный прямой ток тиристора, при котором тиристор еще может находится в открытом состоянии. При понижении тока до значения < Iуд тиристор переходит из открытого состояния в закрытое.

При подаче обратного напряжения между анодом и катодом переходы П1 и П3 оказываются под обратным напряжением, и наблюдается обычная ВАХ полупроводникового диода при обратном включении.

Тиристоры, которые были рассмотрены, называются динисторами, т.к. они имеют два вывода. Условное обозначение показано на рис. 6.

Рис. 6 - Условное обозначение динистора

§ 4. Типы тиристоров.

Тринисторы (обычно именно их называют тиристорами).

В динисторах включение производится путем повышения анодного напряжения до значения UA ≥ UA вкл, при котором ток через прибор резко повышается. Это является его небольшим недостатком, т.к. включение производится большим напряжением, при протекании в цепи очень больших токов, что свидетельствует о малой эффективности управления. Поэтому динисторы получили малое распространение.

Однако включить тиристор можно и другим образом, повышая ток только в одном из двух эквивалентных транзисторов путем подачи дополнительного управляющего напряжения на один из эквивалентных переходов. Такой тиристор является трёхэлектродным и называется тринистором (рис. 7)

На одной из внутренних областей тиристора делается вывод, на который подается управляющее прямое напряжение. С повышением управляющего прямого напряжения при неизменном напряжении между анодом и катодом ток соответствующего эквивалентного перехода растет, повышается коэффициент передачи тока α этого тиристора, и можно добиться, чтобы тиристор открылся при напряжении UA < UA вкл.

А

P1

UA+-

десятки и сотни ампер при напряжениях в тысячи вольт.

Таким образом, тринистор является прибором, обладающим очень эффективным управлением.

Следует отметить, что после того как управляющий ток обеспечил отпирание тиристора, дальнейшее управление током за счет изменения управляющего напряжения не происходит. Условное обозначение тиристора (тринистора) показано на рис. 9.

Рис. 9. - Условное обозначение тринистора Симметричные тиристоры.

Внекоторых схемах регулировки переменного тока требуются тиристоры, которые можно включать как в прямом, так и в обратном направлении. Этому требованию отвечают симметричные тиристоры. Эти тиристоры имеют одинаковые ВАХи при различных полярностях приложенного напряжения.

Всимметричном тиристоре (рис.10) имеется пять областей и четыре p – n – перехода. Области N3 и P2 подключены к катоду, а N1 и P1 – к аноду. При полярности напряжения плюсом на Р1 и минусом на N3, переходы П2 и П4 находятся под прямым напряжением, а П3 – под обратным. p – n – переход П1 находится под обратным напряжением, но он зашунтирован сопротивлением области Р1. В результате в цепи включен тиристор с обычной четырехслойной структурой P1N2P2N3 с плюсом напряжения на крайней области Р1 и минусом на N3. В такой структуре будут наблюдаться те же процессы, которые были рассмотрены ранее.

При смене полярности – подачи напряжения «+» на Р2 и «–» на N1 – переходы П1 и П3 окажутся под прямым напряжением, а N2 – под обратным. В этом случае переход П4 также окажется под обратным напряжением, но он зашунтирован сопротивлением области Р2. Напомним, что ток идет по пути наименьшего сопротивления, поэтому он проходит через область Р2, а не через очень большое сопротивление перехода П4.

Таким образом, и в этом случае получена такая же четырехслойная структура P2N2P1N1, в которой произойдут процессы, характерные для тиристора, включенного под прямое напряжение. Обычно в такой структуре доб – ся управляющий электрод, как и в тринисторе.

Управляющий симметричный тринистор получил название – симистор. Его ВАХ показана на рис.11, а условное обозначение – на рис. 12.

Рис. 10. - Структурная схема симметричного тиристора

§ 5. Особенности работы и параметры тиристоров.

Импульсный режим работы.

В аппаратуре связи тиристоры находят широкое применение как переключающие устройства, работающие в импульсном режиме. Важнейшей характеристикой работы тиристора в этом режиме является время включения и выключения. Время включения tвкл определяется как промежуток времени между моментом подачи управляющего импульса и моментом достижения током тиристора значения I = 0.9Im (рис. 13). Время включения состоит из двух промежутков: времени задержки tз и времени нарастания tнар.

Время tз определяется от момента подачи импульса управления до момента при котором I = 0.1Im. Время задержки определяется для условного транзистора n – p – n тем промежутком, который требуется для диффузии электронов из n – эмиттера через р – базу до коллекторного p – n – перехода.

Время нарастания связано с инертностью процесса накопления неравновесных зарядов в базовых областях. Для понижения времени tвкл необходимо сужать базовые области тиристора. Однако это снизит и напряжение UA вкл.

рассасываются в среднем n – слое. Этим объясняется появление обратного тока в цепи тиристора. Следует отметить, что даже после того, как обратный ток достигнет своего установившегося значения и тиристор восстановит свою запирающую способность, в среднем p – n – переходе еще некоторое время сохраняются избыточные заряды. В этом случае при повторной подаче напряжения тиристор открывается при меньших прямых напряжениях, т.к. для отпирания его потребуется меньшее количество новых избыточных зарядов.

Время выключения тиристора обычно больше времени включения. tвкл и tвыкл определяют частотные свойства тиристора.

В настоящее время созданы высокочастотные типы тиристоров, обеспечивающие время включения в сотни нс, а tвыкл до единиц мкс.

Для включения тиристора необходимо: подать на него положительное напряжение (+ к Аноду, - к катоду) и подать управляющий импульс на УЭ.

Для выключения тиристора необходимо: Подать на него обратное напряжение(- к Аноду, + к катоду) либо уменьшить ток тиристора до величины меньше тока удержания и выждать время восстановления запирающих свойств тиристора (продолжая подавать в течении этого времени обратное напряжение).

Влияние температуры на работу тиристора.

Повышение температуры окружающей среды приводит к повышению Iобр тиристора, а также к повышению коэффициентов передачи токов α1 и α2. Это означает, что включение будет происходить при меньших значениях управляющих токов. С ростом температуры снижается допустимая мощность рассеивания и допустимое обратное напряжение.

Простейшая схема включения тринистора показана на рис. 15. Подобное включение называют управлением по катоду, т.к. управляющим электродом является базовая область р, ближайшая к катодной области n. При подаче импульса прямого напряжения через вывод управляющего электрода на эмиттерный переход тринистор отпирается, если, конечно, напряжение источника Е(UA) достаточно.

Рис. 15. - Простейшая схема включения тиристора с выводом от р – области

Симметричные тиристоры с I до 0.3А: 501÷599

до 10 А: 601÷699 > 10 А: 901÷999

Запираемые: 3,4,8 Iимп < 15 A

Iимп = 15…100 A

Iимп > 100 A

4 – буква – указывает на различия тиристора внутри данного типа по одному или нескольким параметрам.